迪茨氏菌转录调控蛋白AlkX对烷烃降解过程的全局调控研究

Bacteria belonging to the Dietzia genus distributed in various extreme environments around the world, most of which are capable of degrading a broad spectrum of alkanes. Our previous study revealed that Dietzia sp. DQ12-45-1b has a strong environmental adaptability, and it can degrade C6-C40 alkanes by two kinds of alkane hydroxylases AlkW1 and CYP153. The alkW1 gene is repressed by AlkX, the TetR family regulator via a positive feedback regulation. We analyzed the genome sequences of 25 Dietzia strains. The core genes which involve in iron transportation, oxidative stress and low-temperature environment adaptation were significantly induced in alkane metabolism in the AlkX mutant compared with those in the wildtype strain. Therefore, we speculate that AlkX might globally regulate the alkane metabolism process. In this study, we will investigate the AlkX regulation of different pathways in alkane metabolism by ChIP-seq and Realtime RT-PCR and study the specific regulation mechanisms of different genes by AlkX through EMSA, promoter-reporter vector construction, ITC, etc. This study aims to reveal the molecular mechanism for the multiple gene regulation of AlkX, and to provide new insight into the mechanisms of global metabolic regulation of microbial alkane degradation.

迪茨氏（Dietzia）菌分布于世界各种极端环境，并能降解广谱烷烃。研究发现Dietzia sp. DQ12-45-1b有很强的环境适应力，由烷烃羟化酶AlkW1和CYP153协同作用，降解C6-C40烷烃。其中alkW1受TetR家族蛋白AlkX的阻遏调控及烷烃代谢产物的正反馈调节。通过对迪茨氏菌核心基因组分析和基因转录分析，我们发现在烷烃代谢过程中，除AlkW1以外，涉及离子转运、氧化应激及耐寒的核心基因的表达在AlkX突变株和野生株中存在显著差异。因此我们推测AlkX能对烷烃降解过程进行全局调控。本项目通过ChIP-seq和Realtime RT-PCR研究AlkX调控的基因；通过EMSA、启动子-报告载体、ITC等研究AlkX对不同基因的调控机制。本研究将初步揭示迪茨氏菌AlkX蛋白调控多个基因的分子机制，为了解细菌全局调控烷烃降解过程提供新思路。

本项目在国家自然科学基金（No.31600082）的资助下，紧密围绕迪茨氏菌转录调控蛋白AlkX对烷烃降解过程的全局调控研究这一核心科学问题开展了一系列深入系统的研究工作。. 首先，我们以迪茨氏属菌Dietzia sp. DQ12-45-1b为模式菌株，研究了烷烃羟化酶基因的转录调控蛋白AlkX的晶体结构，及其与DNA和配体的结合方式。与其他TetR家族蛋白结构不同，该蛋白多了一个螺旋α6’，与螺旋α6形成一个“盖子”，占据了AlkX二聚体DNA结合域之间的空间，使得DNA结合结构域无法通过沿轴扭转的方式结合DNA，是调控DNA结合的一种新机制。AlkX同源蛋白及DNA结合位点的序列保守性表明，此调控机制可能在迪茨氏属菌中广泛存在。其次，结合转录组、凝胶阻滞电泳和启动子活性实验，发现AlkX蛋白能够调控与烷烃降解过程相关的多个功能基因，证明了AlkX蛋白是个全局调控蛋白，在迪茨氏属菌Dietzia sp. DQ12-45-1b烷烃降解过程起着关键的作用。本研究揭示了迪茨氏属菌烷烃降解过程的关键分子调控机制，为全面了解烷烃降解的分子机制和全局代谢调控提供了新的思路。. 在本项目实施的3年中，课题组取得了不错的成绩，在环境微生物领域权威杂志正式发表SCI论文3篇，包括Applied and Environmental Microbiology、FEMS Microbiology Ecology和Environmental Pollution。这些研究成果为全面了解烷烃降解的分子机制和全局代谢调控提供了新的思路，为石油污染治理提供重要的理论指导。本项目还培养了多名科研人才，其中博士生2名，硕士生2名。